The Korean Society For Biotechnology And Bioengineering

Current Issues

Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 35 , No. 1

[ Review Paper ]
Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 34, No. 3, pp.127-134
Abbreviation: KSBB J
ISSN: 1225-7117 (Print) 2288-8268 (Online)
Print publication date 30 Sep 2019
Received 20 Aug 2019 Revised 19 Sep 2019 Accepted 20 Sep 2019
DOI: https://doi.org/10.7841/ksbbj.2019.34.3.127

배양육의 최신 연구 현황과 공학적 과제
최문희 ; 신현재*
조선대학교 공과대학 생명화학고분자공학과

State-of-the-Art of Cultured Meat Research and Engineering Task
Moon-Hee Choi ; Hyun-Jae Shin*
Department of Biochemical and Polymer Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
Correspondence to : *Department of Biochemical and Polymer Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea. Tel: +82-62-230-7518, Fax: +82-62-230-7226 e-mail: shinhj@chosun.ac.kr


© 2019 The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering

Abstract

Meat is an essential source of animal protein that cause many environmental, ethical and economical, and social issues nowaday. Due to the growing population, there is a limit to how much protein (and/or amino acids) demand can be accommodated by traditional livestock production methods, and there is increasing recognition that it is necessary to convert some of the deficient protein demand into alternative livestock products. In this respect, research on large-scale cultured meat or in-vitro meat that replace existing meat has been actively conducted worldwide. However, there is still no active research and/or debate in Korea concerning the engineering and social manner of cultured meat-related R&D. In this review, recent research trends related to cultured meat research, which is the most important axis of cellular agriculture, and propose a future research area of cultured meat research especially in biochemical engineering aspect.


Keywords: conventional meat, lab-grown meat, cultured meat, in vitro meat, myosatellite cell

1. INTRODUCTION

새로운 시대는 새로운 식품을 필요로 한다. 최근 국제연합식량농업기구(FAO)에서 발간한 보고서에 따르면, 세계 인류는 2018년 7월 기준 76억 4천만 명에서 2050년에는 92억 명으로 매년 0.6% 증가할 것으로 예측된다 [1]. 늘어나는 인구의 유지에 가장 주요한 영양소 중의 하나인 필수 아미노산은 체내에서 합성되지 않거나 합성이 되어도 양이 매우 적어 반드시 음식으로 섭취해야만 하는 영양분이다. 필수아미노산을 공급하기 위해 필요한 육류 소비량은 2018년 304만 톤에서 매년 1.3%씩 증가하여 2050년에는 455만 톤에 이를 것으로 전망된다 [2]. 그러나 단백질 수요 증가를 전통적인 축산물 생산방식으로 감당하기에는 한계가 있으며, 부족한 단백질 수요의 일부를 대체 축산물로 전환할 필요가 있다는 의견이 강하게 대두되고 있다 [3]. 한편 미래의 인구 증가에 따른 식량 부족은 그에 따르는 환경문제, 윤리문제 등 다양한 이슈를 포함하고 있어, 이 각 분야에 모두 대응할 수 있는 인공육이 필요하다. 대체 식량 가운데서 단백질 수요 충족을 위한 축산물을 대체할 수 있는 ‘대체 축산물’은 기존 육류 대비 자원 투입량과 온실가스 사용량이 전반적으로 낮고 악취 등 환경오염물질 발생이 적다는 장점이 있으며, 건강에 도움이 되는 요소를 가지고 있다 [4].

대체축산물의 대표주자가 인공육 (artificial meat)이다. 인공육은 크게 식물성 원료를 가공하여 인공육의 맛과 영향을 흉내 내는 방식과 동물의 세포를 배양하여 특정한 공간과 조건에서 육류를 배양해내는 방식으로 나눌 수 있다. 이러한 인공육은 안전성 측면에서도 기존의 육류보다 일부 우수한 점이 있다고 알려져 있다. 전통적으로 인공육을 만들기 위한 재료로서 가장 주목을 받은 것은 콩이다. 최근 가장 각광받는 콩기반 육류 기업인 비욘드미트 (Beyond Meat)는 2019년 5월 2일 미국 나스닥에 상장하여, 첫날 주가가 163%가 뛰는 성공을 거두기도 하였다 [5]. 또한 최근 홍콩에 본사를 둔 중국계 스타트업인 옴니포크 (OmniPork)사는 버섯과 콩을 원료로 인공 돼지고기를 만들고 이를 이용한 돼지고기 대체식품을 만들어 각광을 받고 있다 [6].

한편, 식물성 원료와는 다른 기술을 이용하여 동물성 단백질을 모방한 인공육 중에서 배양육 (cultured meat)이 주목받고 있다. 배양육 생산의 생명주기평가 (life cycle assessment, LCA)에 따르면 배양육은 전통적인 축산방식으로 고기를 생산하는 경우보다 토지 사용량은 99%, 가스 배출량은 96%, 에너지 소비량은 45%를 줄일 수 있어 환경오염에 대한 부담을 덜 수 있을 것으로 보이며 [7] 열악한 사육 환경, 도축과 관련된 동물 복지 측면에서도 이점이 있다 [8]. 또한 배양육생산 시 필요한 배양액은 해조류를 이용하므로 광우병이나 구제역 등의 가축 전염병 발병 위험을 배제할 수 있으며, 쇠고기를 비롯해 돼지, 닭, 어류 배양육도 생산이 가능하다. 네덜란드와 미국 등지에서 개발된 배양육은 현재 생산단가가 무척 높은 편이나, 곧 단가의 하락에 따라 실제 식탁에 오를 가능성이 매우 높다. 이와 같은 세계적 추세를 감안하면 국내에서 관련 분야의 연구 및 개발이 가능한 각 분야 전문가의 관심이 필요한 시점이라 할 수 있다. 본 총설에서는 이러한 기술적 발전에 선제적으로 대응하기 위하여 배양육에 관한 전반적인 내용을 살펴보고, 배양육의 개발, 생산, 안전성 등에 관련된 다양한 측면에서 생물화학공학의 미래 역할에 대해 살펴보고자 한다.


2. 배양육 일반사항 및 연구 현황
2.1. 배양육

배양육은 살아있는 동물의 세포를 채취한 뒤 세포 공학 기술로 증식하여 얻게 되는 식용 고기를 의미하며, 가축을 사육하는 과정을 거치지 않고 고기를 얻는 세포농업 (cellular agriculture)의 한 분야라고 할 수 있다 [9]. 우선 명칭 자체도 다양한데, 한국어로 배양육 혹은 대체육이라고 하며, 영어로는 시험관에서 키운다는 의미로 in vitro meat, 천연이 아닌 인간이 줄기세포를 이용하여 합성한다는 의미에서 artificial meat, 전통적인 사육시설이 아닌 청정한 생산시설에서 생산된다는 의미로 clean meat, 일부 시제품은 실험실에서 만들어지기도 해서 lab-grown meat로 불리고 있다 [10]. 배양육을 이루는 근섬유를 배양한다는 의미에서 바이오인공근육(bioarticificalmuscles, BAMs)라고도 불린다 [11]. 배양육은 기존 육류와 비교하여 다양한 장점과 단점을 모두 가지고 있으며 (Table 1), 2019년 현재 한국입장에서 이에 대한 논리적 고찰이 필요한 시점이다. 현재 세계 각국에서는 실험실에서 시제품을 생산하는 단계이며, 본격적인 상업 생산은 2021년 전후로 전망되고 있다 [12]. 배양육 생산 과정은 살아있는 동물에서 조직을 채취한 뒤 조직에서 줄기 세포를 분리한다. 이후 분리된 줄기세포를 실험실에서 근세포로 배양한 뒤 수 주 동안 성장시킨 후 근섬유 착색과 지방 혼합 등을 거쳐 배양육을 제조하게 된다. 이 때 제조과정에는 스케폴드 (scaffolds)를 사용하기도 하고 자기조직화 (self-assembly)법을 사용하기도 한다 (Fig. 1). 배양육은 생산과정에서 인체에 유해한 포화지방산을 오메가3와 같은 유익한 지방산으로 대체하는 것이 가능하며, 배지와 배양조건을 조절하여 건강에 유익한 육류를 선별하여 생산할 수 있다 [13]. 또한 오염된 제품에 의한 식중독이나 가축 전염병 인체 전염 우려, 축산물 생산과정에서 발생하는 분뇨, 오폐수, 메탄가스 발생 등을 감소시킬 수 있는 장점이 있다 [14]. 배양육은 특이하거나 멸종 위기에 처한 동물의 조직을 채취, 배양하여 새로운 육류에 대한 소비를 유도할 수 있으며, 가축 사육에 소비되는 대지를 감소시킴으로써 산림과 생태계 회복에 기여할 수 있다 [15]. 또한 실험실에서 제조한 육류라 도살과정이 없으므로 종교적 제한식품으로 적용되지 않아 할랄식품 (halal food)처럼 종교 기피조건이 적용되지 않아 보다 범용적인 적용이 가능하다 [16]. 이러한 장점에도 불구하고 배양육은 아직 시장에 출시되지 못하고 있으며, 식물성 대체육이 우선 시장에 출시되어 각광을 받고 있다. 배양육과 식물성 대체육의 제조과정의 차이점을 Fig. 2에 나타내었다. 가장 큰 차이점은 식물성 대체육은 배양육과는 달리 근섬유의 배양과정이 불필요하다는 것이다. 그러나 최종 고기맛을 위해 추가적인 다양한 식품첨가물이 필요하다는 것은 공통적이다.


Fig. 1. 
Manufacturing process of cultured meat. (Left) Scaffoldbased production and (Right) Self-assembled production.


Fig. 2. 
Comparison of production process of (a) cultured meat and (b) plant-based meat.

Table 1. 
Characteristics of regular and cultured meat
Classification Traditional meat Cultured meat
Production method Traditional methods of livestock breeding and slaughtering Cultivation of stem cells to produce meat
Resource usage High Very low
Green house gas emissions High Potential reduction
Health effect No change Needs improvement of fatty acid
composition and iron content
Safety No change Verification required
Mass production possibility High but marginal existence Technical barriers exist
Production cost Rising Very expensive but potentially low
Animal welfare problems Always present None
Consumer preference Demand increase Fear of new food and phobias of science
and technology
Possibility as future food Low High
New technology applicability Low High

배양육은 줄기세포를 분화시켜 근육 조직으로 배양하므로 장기, 뇌, 골격 같은 부차적인 기관이 필요 없어 배양과정만 본다면 영양소와 에너지 소모량이 상대적으로 적은 특징이 있다. 그러나 현재의 세포배양 기술 수준에서는 세포 배양에 높은 수준의 위생 체계를 유지해야 하며, 그에 따른 에너지 투입을 생각해 볼 때 영양소와 에너지 소모량이 적다고 단정하기는 힘든 상황이다 [11]. 현재 생산되고 있는 배양육의 색과 외양은 기존의 고기와는 상당히 다른 모습을 보이고 있어 소비자의 소비 의도를 자극하기에는 한계가 있다 [17]. 2013년에 마크 포스트 교수팀이 시식장에서 제공한 배양육은 암소에서 채취한 줄기세포를 실험실에서 3개월간 배양하여 생산하였으며, 생산 당시에는 무색이어서 비트즙과 사프란을 추가하여 육색을 재현한 것이다 [18].

2.2 관련 업체 동향

최근 배양육을 비롯한 다양한 푸드테크 기업들이 성장 추세에 있으며, 새로운 소재와 신기술을 이용한 식품의 연구개발증가 추세로, 배양육 제품이 곧 시장에 출시될 예정이다. 시장 출시의 관건은 세포조작 및 조직공학 등의 기술적인 요소와 더불어 반응기 및 경제적 배지 확립 등의 산업화 기술이라고 할 수 있다 [19]. 배양육 관련 중요한 국내외 업체 및 유관 연구기관의 동향을 살펴보면 2013년 첫 배양육 햄버거를 선보였던 네덜란드 마스트리흐트대의 마르크 포스트 교수가 설립한 모사미트 (Mosa Meat) 미국의 멤피스미트 (MemphisMeats)와 저스트 (Just), 뉴에이지미트 (New Age Meats) 등이 경쟁을 벌이고 있는 상황이다. 멤피스미트는 2015년 심장전문의 우마 발레티 (Uma Valeti)와 줄기세포학자 니컬러스 제노비스 (Nicholas Genovese)가 설립한 회사이다 [20]. 멤피스미트는 2016년 미트볼에 이어 2017년 배양육 치킨과 오리고기를 선보였고, 뉴에이지미트는 지난 2019년 3월에 배양육 소시지 시식회를 열어 분위기를 한층 고무시키고 있다. 멤피스미트엔 곡물업체 카길과 빌 게이츠, 2014년부터 육식을 중단한 리처드 브랜슨 버진그룹 회장도 투자에 참여했다. 첫 시제품은 1개에 2500 달러나 들었으나 2018년 기준 현재는 250 달러로 낮아졌다. 한편, 원래 인공계란 분말 제조업체인 저스트 (예전 Hamton Creek)는 지난해 말까지 배양육 제품을 시판한다고 공언한 바 있으나 아직 후속 소식은 없다. 최근 일본 소고기 배양육을 생산하기 위한 MOU를 맺기도 하였다. 한편 알레프팜스 (Aleph Farms)는 지난해 12월 배양육 스테이크를 발표했으며, 배양육 스테이크 개발은 이 회사가 처음으로 시도하고 있다. 이스라엘에서도 배양육 개발이 활발하다. 구체적인 업체로는 슈퍼미트 (SuperMeat)가 배양육 치킨을 개발하고 있다. 값이 비싼 참치회의 배양육 개발도 진행 중으로 알려져 있다. 미국의 핀레스푸드 (Finless Foods)는 세포 배양 방식으로 참치회를 개발하고 있다 [21]. 2019년 3월 싱가포르의 줄기세포과학자인 Sandhya Sriram과 Ka Yi Ling이 설립한 Shiok Meats는 세포 기반의 새우 만두를 개발하였다 [22]. 일본의 Nissin Inc.와 도쿄대학 생산기술 연구소의 다케우치 쇼지 교수 연구팀은 쇠고기 유래의 줄기 세포를 이용하여 주사위 모양의 소 근육 조직을 제작한 것을 2019년 3월 일본 농예화학회에서 발표하였다. 배양 과정에서 소 근육세포에 Vitamin C를 공급하는 것이 세포 성장 촉진에 도움이 되는 것을 확인하였으며, 평면 배양이 아닌 근육 조직에 특유의 줄무늬 구조를 가지는 가늘고 긴 근육조직을 적층하는 방법으로 배양함으로써 세계 최초의 주사위 스테이크 모양의 조직을 제작하였다 [23]. 배양육 연구초기에 미국과 네델란드를 위주로 진행되던 관련 연구와 스타트업의 창업은 이제 이스라엘, 일본, 중국 등 중동과 아시아지역으로 확대 발전하고 있다.

2.3. 국내외 연구동향

한 해 3조원이 넘는 소고기를 외국에서 수입하는 한국은 세계 4위의 쇠고기 수입국임에도 불구하고 배양육 연구에서는 불모지나 다름없다. 국내의 경우 배양육이 아닌 배양육인 식물육도 아직 걸음마 단계이다. 2019년 동원에프앤비 (F&B)가 비욘드미트 버거를 들여오고, 롯데푸드가 닭고기 맛의 식물육 제품을 내놓으면서 시장을 만들어가고 있는 상황이다. 미국발 배양육 유니콘 기업의 탄생은 배양육이 식품시장에서 주류로 진입하기 위한 문을 두드렸으므로 2019년은 배양육 시장의 전환점이 될 수 있는 해로 판단된다. 현재 우리나라에서는 KAIST 벤처기업에서 출발한 MBG연구소에서 유일하게 배양육을 연구개발 하고 있다 [24]. 그러나 배양육 관련 국내 특허는 1건 존재하며 리뷰논문은 존재하나 연구논문은 존재하지 않는다.

국외 연구동향을 살펴보면 다음과 같다 [25]. 역사적인 최초의 연구로는 1999년 네덜란드 암스테르담 대학교의 빌렘반 엘런 (Willem van Eelen) 박사가 배양육 관련 이론으로 국제 특허를 확보하였으며, 2002년에는 금붕어에서 채취한 근육조직을 실험실에서 배양하는 데 성공하였다. 미항공우주국 (NASA)에서는 우주선 내에서 섭취할 식품을 조달하기 위한 목적으로 배양육 연구를 시작하였으며, 1995년에 미국식품의약국 (FDA)에서 배양육 사용 승인을 받았다. 2001년에는 우주선에서 칠면조 고기의 배양 실험을 실시하기도 하였다. 2001년 네덜란드 암스테르담 대학의 비테 베스터호프(Wiete Westhof)는 배양육 특허를 획득하였으며 2007년에는 세포분열 유도 기술을 개발하였다. 이후 네덜란드의 위트레호프 대학 (Utrecht University) 연구팀은 근육세포 증식기술을 개발하였으며, 에인트호번 대학(Eindhoven University) 연구팀은 배양육 배양을 위한 생물반응기 연구를 수행하였다. 2003년 미국 하버드 대학의 오론 카츠 (Oron Catts)와 이오나트 주르 (Ionat Zurr)는 개구리 줄기세포를 이용하여 시식 가능한 스테이크를 배양하기도 하였다. 2008년 세계동물보호단체(PETA)는 2012년까지 배양육 닭고기 개발 시 상금 1백만 달러를 제공한다고 발표하였으며, 네덜란드 정부는 배양육 연구에 4백만 달러를 지원하여 배양육 연구에 박차를 가하였다. 2009년 네덜란드에서는 살아있는 돼지로부터 추출한 세포에서 배양육 생산이 가능함을 보였으며, 2012년에는 세계 30개 연구실에서 배양육 연구가 수행되고 있는 것으로 파악되고 있다. 2013년 마크 포스트 교수팀이 시연한 햄버거 패티는 37만 5천 달러/100 g에 달했으며 이후 배양육 기술개발은 단가절감과 맛, 식감 개선에 중점을 두기 시작하였다. 2017년 미국의 멤피스 미트는 닭고기 배양육을 시식회에서 공개하였으며, 시식용 배양육의 생산비는 1,986 달러/100 g에 달해 2013년 마크 포스트 교수팀에 비해 현저히 낮아졌지만 아직은 추가적인 기술 개발과 대량생산이 필요한 단계라고 할 수 있다. 주요 배양육 개발업체들은 배양육의 상용화를 위해 기술개발 투자를 크게 증가시키고 있다. 2018년 기준으로 이스라엘의 슈퍼미트는 닭고기 배양육에 300만 달러, 멤피스 미트는 1,700만 달러, 와일드어스는 애완동물용 배양육에 400만 달러, 와일드타입은 연어 배양육 기술개발에 400만 달러, 퍼펙트데이푸드 (Perfect Day Foods, perfectdayfoods.com)는 배양 유제품 생산에 2,500만 달러를 투자할 계획이다 [26].


3. 배양육 연구의 미래과제 및 공학자의 역할
3.1. 배양육 연구의 필요성

배양육의 생산 비용은 2013년 37만 5천 달러/100 g에서 2017년 기준 1,986 달러/100 g로 크게 감소하기는 하였으나 여전히 매우 높은 수준이며, 상용화와 대량생산을 위해서는 지속적인 기술 개발이 필요하다 [27]. 또한 배양육으로 선보인 햄버거 패티와 닭고기는 현재 시장에서 기존 축산방식으로 생산된 상품이 저렴한 가격으로 유통되고 있으므로 이들 제품 사이에서 가격 경쟁력을 갖추기 위해서는 더 높은 수준의 생명공학 및 조직 배양기술과 대량생산 기술이 필요하다. 현재 생산된 배양육은 생산기술의 한계로 기존 육류보다 상대적으로 맛이 떨어진다는 평을 받고 있다. 스테이크 같은 육류 본연의 맛이 중요한 식재료로는 쓰이지 못하고, 햄버거 패티용 재료로 선보이고 있는 점으로 볼 때 배양육 기술의 실용화에는 시간이 더 걸릴 것으로 판단된다. 기존 육류와 맛의 차이를 없애는 기술이 요구된다. 배양육 생산을 위한 세포배양 배지에는 말이나 소의 태아혈청이 필요하며, 이 혈청은 임신우를 도축하여 얻고 있어 배양육 생산이 증가할수록 가축 도축도 증가하는 구조이다 [17].

이를 해결하기 위해 비동물성 소재인 녹조류 또는 버섯 추출물을 이용하여 세포 배양액을 생산하고 있으나 효율성 면에서 문제가 있으며, 배양육에 적용하는데도 한계가 있는 상황이다 [27]. 배양육은 조직세포를 배양한 식품으로 인위적인 유전자 조작 가능성은 포함되어 있지 않지만 소비자들은 배양육을 GMO 식품과 같은 맥락으로 인식하고 거부할 가능성이 있다. 또한 소비자들은 이미 기존 육류 소비에 익숙해져 있는 상황이므로 배양육을 기존 육류 대신 소비하기에는 시간이 걸릴 것으로 판단된다. 한편, 2019년 네덜란드에서 시행한 한 조사에서는 네덜란드 국민의 63%가 배양육에 호감을 나타내고 있으며, 또한 네델란드 국민의 52%는 배양육을 먹어볼 의향이 있다고 답했다. 배양 및 대량생산 기술이 발달하여 배양육의 상용화가 성공할 경우 기존 축산업계와의 충돌이 예상된다. 실례로 현재 미국의 북아메리카 육류협회는 배양육에 “meat”라는 단어를 쓰는 데 크게 반발하고 있는 실정이다. 이는 육류 섭취가 많은 서구 문화에서 “meat” 에는 ‘육류’라는 의미 외에도 ‘식량’이라는 인식이 있기 때문이다. 이를 극복하기 위하여 다양한 분야에서 관련연구를 공론화할 필요가 있다. 학계에서는 배양육이 아직 개발단계에 있어 전통적인 육류산업에 미치는 영향과 영양학적 특성, 식품안전성에 대한 연구가 추가적으로 필요하다고 지적하고 있다 [28]. 또한 배양육의 본격적인 생산에 대비해 미국의 경우 식품의약국 (FDA)과 농무부 (USDA)가 관할권을 확보하기 위해 각자의 전문성을 강조하면서 경쟁에 나서고 있다 [29]. 또한 호주 축산공사는 배양육 수요가 증가하면서 기존 육류시장의 상당 부분을 차지할 것이라고 예상하면서 이에 대한 대비를 논의하고 있다 [30].

그러나 현재 식품 기술 수준으로는 대체 축산물이 기존 육류의 완벽한 대체재가 되기는 힘든 상황이다. 배양육은 기존 육류보다 관능적 요인이 떨어진다는 점과 높은 생산비가가장 큰 문제로 대두되고 있다. 배양육의 경우 높은 생산비로 소비자에게 공급하기는 아직 이른 상황이며, 실용화를 위해서는 조직배양 기술의 개발과 대량생산 기술의 확보가 필수적이다. 배양육은 ‘배양과정’이라는 방식으로 생산되므로 소비자가 가질 수 있는 새로운 식품에 대한 두려움 (food neophobia)과 과학기술 공포증 (technophobia)을 해소할 필요가 있다. 사실 배양육의 문은 콩을 재료로 이용한 식물육이 열었지만 그 마무리는 배양육의 몫이라고 판단할 수 있다. 배양육 연구는 세포농업이라는 새로운 미래 산업을 만들어 낼 수 있다. 현재 미국과 네덜란드, 이스라엘 등 몇몇 나라가 이 연구를 이끌고 있으며, 고기를 즐겨 먹지 않는 일본에서도 도쿄의 ‘인테그리컬처 (integriculture)’란 스타트업이 ‘컬넷 시스템’ (CulNet System)이라는 인공혈청을 이용한 세포배양 시스템 기술 등을 개발하고 있다. 이 회사는 2015년 화학과 농학을 전공한 젊은 연구자 2인 창업한 회사로, 최근 실험실 수준의 자체 혈청생산 시스템을 개발했다고 발표했다 [33]. 쇼진미트 (Shojinmeat Project)라는 비영리 기업은 학생들에게 가정에서 직접 동물 세포를 배양할 수 있는 기기를 보급하고 있다. 2019년 상반기에 벌써 배양육에 관한 10여개 이상의 특집 기사가 국내외 주요 언론매체에서 흘러나와 배양육에 대한 대중의 관심을 고조시키고 있다 [34].

3.2. 공학적 세부 연구 분야

배양육을 성공적으로 제조하기 위해서 조직공학 (tissue engineering)을 포함한 다양한 공학적 사항이 고려되어야 한다. 우선 고려해야 할 사항으로는 세포 (cells), 배양기내부의 장(field), 스케폴드 (scaffolds), 배지와 성장인자 (culture media and growth factors), 생물반응기 (bioreactor) 등이 있다 [31].

3.2.1. 세포 (cells)

식용 골격근 (skeletal muscle)은 몇 가지 종류의 세포로 이루어진 조직 (tissue)이다. 골격근 섬유는 미발달된 근육세포인 배아 근아세포 (embryonic myoblasts)의 증식, 분화, 결합으로 형성되며, 출생 후 동물에서는 위성세포 (satellite)라는 대형 다행세포결체 (multinucleated syncytia)를 형성한다 [32]. 따라서 배양육을 위한 세포로는 배아근아세포 혹은 위성세포로 알려진 출생후 골격근육세포 (postnatal/posthatch skeletal muscle cell)가 주로 사용된다. 배양육 제조에 사용 가능한 근육세포로는 우선 배아줄기세포 (embryoin stem cell, ES cell), 근위성세포 (myosatellite cell), 성체줄기세포 (adult stem cells) 와 관련된 근위성세포와, 지방유래 성체줄기세포 (adipose-derivedstem cell, ASC)등이 있다 [19]. 몇 몇 동물위성세포는 충분한 양의 딸세포를 생성하여 대량의 배양육을 만들기에 적합하다고 알려져 있다. 대부분의 동물세포의 경우 분열의 한계(Hayflick limit)가 50으로 알려져 있는데, 이론적 계산으로는 이 한계가 75인 경우에 하나의 부모세포 (parent cell)에서 전 세계에서 필요한 배양육을 모두 만들 수 있다. 그러나 실제로는 충분한 양의 줄기세포를 미리 배양하여 근아세포로 분화시켜야 한다. 이때 분열한계를 높여주는 텔로머라제(telomerase) 유전자를 주입시킬 필요도 있다. 어떤 배양방법이든 줄기세포를 분리하고 분화시키는 것은 배양육 제조의 가장 중요한 선결조건이라 할 수 있다 (Fig. 1).

3.2.2. 배양기의 장 (fields)

배양육을 이루는 콜라겐 생성과 최종 근섬유의 인강강도 조절 등 다양한 조직공학적 연구분야가 존재한다 [11]. 근아세포의 증식과 분화에는 기계장(mechanical fields), 전자기장(electromagnetic fields), 중력장(gravitational fields), 유체흐름장(fluid flow fields) 등이 영향을 미치는 것으로 나타났다 [35]. 근섬유의 반복적 당김과 풀림이 콜라겐 생성을 증가시키기도 하고 감소시키기도 한다 [36]. 전기자극이 근섬유를 이루는 단백질의 생성을 조절할 수도 있다. 또한 특정한 코팅물질과 전기적 자극을 동시에 가해주었을 경우 골격근섬유의 증식과 분화에 큰 영향을 주기도 하는 것으로 나타났다 [37]. 주어진 반응기내에서 기계적인 당김과 풀림, 마그네틱 입자의 도입, 전기적 자극 등을 조절하여 골격근의 배양을 비롯한 배양육 세포의 분화 및 암세포 형성에 미치는 영향 등에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요하다.

3.2.3. 스케폴드 (scaffold)

식용육은 골격근으로 이루어져 있고 골격근의 근아세포로 만들어진다. 근아세포는 부착성 세포로 세포의 증식과 분화를 위해서는 기층 (substratum) 혹은 외부주형이라 불리는 스케폴드 (scaffold)가 필요하다 [38]. 스케폴드에 기반한 배양육 생산시스템은 소, 돼지, 염소, 양, 닭의 배아근아세포 혹은 성체 근골위성세포가 필요하다. 배양육을 만들기위한 스케폴드는 구조적인 면이외에도 최종 결과물인 배양육의 질감(texture)과 맛 (taste)에도 영향을 준다. 배양육 제조에 사용하는 스케폴드 및 부산물은 반드시 식용 가능해야 하며 비동물유래 원료를 사용할 수도 있다. 세포의 분화를 촉진하기 위하여 유연한 성질을 가지거나 기계적으로 당김과 풀림이 가능한 형태 등 매우 다양한 형태가 가능하다. 최근 삼 (hemp), 옥수수 (maize), 콩 (pea) 단백질 섬유를 압출가공 (extrusion) 하여 배양육용 스케폴드를 제조하는 방법이 개발되었다 [39]. 스케폴드 개발 연구는 조직공학 연구의 한분야로, 골격근 조직공학이라는 아이디어는 식용육 생산을 위한 기술로 약 90년 전에 개발된 이후 계속 발전해왔다 [40]. 스케폴드 방법의 경우 배아세포 혹은 성인세포가 콜라겐 스케폴드 혹은 마이크로비드 운반체 (carrier)에 부착하여 성장하고 다시 정치배양 장치 혹은 회전배양기에서 배지가 주입되는 방식으로 배양한다 (Fig. 1(a)). 이렇게 배양된 세포는 근관 (myotube) 내부로 결합되어 분화되어 배양육으로 사용된다. 뼈가 없이 사용되는 육류인 햄버거 패티나 소세지, 간 고기 (minced meat)를 제조하는 데는 스케폴드 방법이 자기조직화 방법에 비해 적당하다. 그러나 스테이크 등의 아주 구조화된 육류를 만드는 데는 자기조직화방법이 유리하다. 최근 펜실베니아주립대학의 지글러 (Gregory Ziegler) 박사는 레고블럭에 식용전분을 전기방사하여 신규한 스케폴드를 제조하였으며, 유사한 사례로 나뭇잎, 시금치잎, 잭프루트, 아티초크 등을 이용하기도 한다. 미국 뉴욕소재 바이오기업인 Ecovative사는 곰팡이균사 매트를 배양하여 배양육용 스케폴드로 사용한 연구결과를 발표하기도 하였다 [41].

3.2.4. 자기조직화 기술 (self-organizing technique)

스케폴드 방법이외에 배양육을 제조하는 또 하나의 방법은 자기조직화 기술이다. 이 기술은 줄기세포로부터 아주 조직화된 근조직과 배양육을 스스로 만드는 것을 지칭하거나 기존의 근육조직을 배양기에서 증식시켜 배양육을 만드는 것을 가리킨다 (Fig. 1(b)). 이 기술은 무척 도전적인 방법으로 일부 어류에서 그 가능성이 확인되었고, 돼지나 소 등의 육류에서는 아직 확실한 연구결과가 나오지 않고 있다 [25]. 식용육을 이루는 모든 세포 및 조직은 적절한 영양분을 공급받지 못하면 괴사 (necrosis)하게 되므로 적절한 양분의 공급을 위해 인공 모세혈관의 설계 혹은 조직세포의 적절한 형태 구성을 위한 배양기의 설계 등이 이루어져야 한다.

3.2.5. 배지와 성장인자 (culture media and growth factors)

배양육이 기존 육류에 비해 가지는 다양한 장점이 현실화되기 위해서는 충분히 경제적이고 친환경적인 배지가 필수적이다. 배양육 배양용 배지는 다양한 영양성분을 함유하고 있을 뿐만 아니라 근아세포의 성장과 분화에 필요한 성장인자를 함유하고 근관 조직이 근육으로 발달하기에 적합해야 한다 [42]. 성장인자는 근세포가 성장하면서 합성되기도 하고 근세포 자체가 외부로 분비하기도 한다. 또한 다른 종류의 세포가 주변에 존재하거나 (paracrine effect)더 멀리 떨어진 세포에서 제공받기도 (endocrine effect)한다. 따라서 배지 제조단계에서 배지에 직접 첨가하는 방법이외에도, 주변에서 다른 세포를 배양함으로써 필요한 성장인자를 공급받을 수도 있다. 영양성분의 측면에서는 가장 중요한 것이 혈청 (serum)이다. 배양육을 생산하기 위한 배지의 주요 성분가운데 송아지혈청 (fetal bovine serum, FBS)이 있다. FBS는 세포 배양 배지에서 보편적으로 사용되는 필수 성분이지만, 이를 수확하고 생산함에 있어서 송아지를 살육해야 하는데 따르는 심각한 과학적 및 윤리적 우려가 존재한다. 1990년대 이후 지난 30년 동안 FBS는 다른 보충제로 대체되거나 화학적으로 정의된 (chemically defined, CD) 무 혈청 배지가 포유류 및 곤충의 세포주 배양에 사용되어 왔다. 혈청이 사용되지 않는 배지는 다양한 화학적 기준을 가지고 있는데, 무혈청 (serum free, SF), 동물 유래 성분이 없음 (animal-derived component free, ADCF) 또는 CD 배지가 존재한다. 무 혈청 배지의 종류는 기초배지 (basal media), 배지보충제 (medium supplements), 완전교체배지 (full replacement media) 등으로 나눌 수 있다. 무혈청 배지를 사용하기 위해서는 배지뿐만 아니라 채택된 세포주, 특정 회사 및 공급 업체의 자세한 정보 등이 중요하다. 2010년에 독일에서는 무혈청 온라인 서비스를 지속적으로 개선하고 확장하기 위해 현장 전문가와 경험을 토대로 데이터베이스를 만들어 운용하고 있다 (FCS-free database, https://fcs-free.org/) [43]. 배양육 생산을 위한 성공적인 무혈청배지를 제조하기 위해서는 DMEM 배지와 Ham’s F-12 영양배지에 기반한 기초배지를 선정하고 insulin, transferrin, selenium 등의 첨가물을 넣은 후, hormone과 growth factor를 비롯한 최소 10여 가지의 첨가물을 고려해야 한다. 배지조성의 최적화를 위해서는 다양한 Plackett-Burmann design, response surface methodology 등의 실험계획법 (design of experiment, DOE)을 검토해야 한다. 1차 선정된 배지조성을 이용하여 microfluidic system 등을 통한 소규모 배양을 수행한 이후 적응단계(adaptation period)를 거쳐야 한다 [44]. 이 단계를 거쳐 혈청의 양을 줄여 최종적으로 무 혈청 배지의 사용이 가능하도록 성장단계별 (passage)로 배양조건을 조절해야 한다. 이를 통해 전통적으로 사용해온 혈청 농도인 300 mL/L를 대폭 줄일 수 있다 (FCS-free. org). 생산설비에서 우수제조설비 (good manufacturing practice, GMP), 실험실에서 우수실험실 (good laboratory practice, GLP), 세포배양을 통한 배양육에서 우수세포배양시설 (good cell culture practice, GCCP)가 필요한 시점이다.

3.2.6. 생물반응기 (bioreactor)

배양육을 제조하기 위한 생물반응기는 조직공학적 측면에서 무척 중요하다. 배양육 성장에 필요한 생물반응기의 요건은 낮은 전단응력과 대용량의 일정한 관류를 공급하는 것이다. 생산하고자 하는 배양육의 종류에 따라 다양한 형태의 세포반응기가 사용되며, 적용하는 반응기에 따라 사용하는 스케폴드의 형태가 달라진다. 반응기의 형태는 로타리 형태, 탱크 교반형, 정치 배양형, 플라스틱 백 등으로 다양하므로 이에 따른 맞춤형 스케폴드 사용을 고려할 수 있다. 최종 목적하는 배양육의 형태에 따라 정치배양과 스케폴드의 사용을 선택할 수 있다. 스케폴드 배양육의 성공은 배지성분과 산소의 적절한 공급 (adequate perfusion of nutrients and oxygen)에 달려있다. 전통적으로는 미항공우주국 (NASA)의 회전생물반응기 (rotating bioreactor)를 사용해왔다. 회전반응기의 경우 원심력, 항력, 중력 등 힘의 균형이 잘 유지되어야 배양육의 3차구조가 잘 만들어진다 [32]. 산업적으로는 바이오필름반응기 (biofilm reactor)를 사용하기도 한다. 이러한 반응기 내의 산소구배를 잘 조절하기 위하여 헤모글로빈 혹은 과불소화합물 (perfluoro chemicals) 등의 다양한 산소전달체 (oxygen carrier)가 사용될 수 있다 [45]. 배양하는 동물세포 농도는 108 cells/mL 전후, 무게 기준으로는 30 kg/m3 내외, 반응기의 용적은 10 mL ~ 수백 L까지 가능하다 [46]. 경제적인 측면에서 반응기 최적화와 자동화가 반드시 선행되어야 한다. 반응기 연구 3차원 기관프린트 (organ printing), 생물광학 (bio-photonics), 나노기술 (nanotechnology) 등이 결합되면 다양한 형태의 배양육 생산도 가능할 것으로 예상된다 [19].

3.2.7. 기타 고려사항 (Other considerations)

상기한 내용 이외에 최종 만들어진 인공육에 지방, 육즙 (혈액) 등을 첨가하여 기존 육식과 동등한 색, 질감, 맛과 풍미을 내기 위한 연구가 필요하다. 환경과 에너지 측면에서 아무리 우수한 제품이라 할지라도 음식이라는 면에서 기존 육류의 색, 질감, 맛, 풍미와 대비하여 큰 차이가 없어야 한다. 이를 위해서 콩기반 육류 등에서 얻은 다양한 첨가제 지식과 노하우 등을 배양육에 접목시켜야 할 것이다. 또한 생물반응기와 관련하여 반응기의 안전한 조작과 경제적인 운용을 위한 자동화 모델링 (automation using mathematical modeling) 등의 수치제어 조건이 완결되어야 한다. 마지막으로 생산된 후 유통될 배양육의 안정성 검증이 필요하다. 생산설비와 재료에서부터 최종 제품과 유통에 이르는 전체 흐름에서 혹시나 유입될 수도 있는 병원성 미생물을 확인하기 위한 방법이 고안되고, 이를 포함한 안전성 확보 전략이 필요하다. 안전성의 확보를 위해 다양한 정책적 수단이 강구되고 관련 내용의 법제화가 필요할 것으로 판단된다.

배양육은 동물 윤리의 문제와 관련하여 살아 있는 가축을 도살하거나 공장식 집단 사육을 할 필요가 없어 동물 학대나 생명 윤리 논란에서 벗어날 수 있다는 장점이 있어, 동물의 생명권에 대한 인식이 높아지고 있는 요즘 반려동물 인구 증가와도 궤를 같이 한다 [47]. 독일의 시장조사기관 GfK가 22개국 성인들을 대상으로 한 조사 결과를 보면 약 절반의 인구가 반려동물과 함께 생활하고 있다. 한국도 이미 반려동물인구 1천만 시대에 진입했으므로 배양육이 차지할 시장은 식품뿐만 아니라 사료시장까지 그 범위가 넓다고 볼 수 있다. 배양육은 몸에 이로운 것만을 추출하거나 추가해 만들었으며, 집단 사육을 하는 가축에 많이 투여하는 항생제나 각종 질병의 원인이 될 수 있는 박테리아를 걱정할 필요가 없다는 면에서 안전하다는 인식이 높다. 2015년 세계보건기구 (WTO) 가 경고한 가공육 제품과 붉은 고기의 발암 유발 가능성도 배양육을 포함한 다양한 배양육에 눈길을 돌리는 이유이기도 하다. 이를 통한 배양육의 대중에 대한 인식제고를 통하여 제품 상업화의 큰 걸림돌을 제거할 수 있다 [48].


4. CONCLUSION

배양육 연구와 개발이 성공하기 위한 가장 큰 관건은 품질과 가격, 그리고 식습관의 벽을 넘는 것이라고 할 수 있다. 따라서 국외 배양육 제품과 기술이 국내에 수입되기 전에 배양육 생산기술과 연구개발의 세계적 현황을 파악하고 안전성 평가 기준 마련을 통한 선제적 안전관리가 필요하다. 또한 국내에서 배양균 관련 설비가 만들어질 경우를 가정하여 미리 관련 규정을 만들어 사전 검토할 필요가 있다. 이와 더불어 한국에서도 미래의 식량을 발굴한다는 사명감과 도전정신에 충만한 연구자와 투자자의 탄생을 고대한다. 특히 생물화학공학의 비롯한 다양한 공학자에게 배양육 연구는 큰 기회요인으로 다가올 것이다. ‘고기맛은 그대로 하지만 더욱 건강하게’라는 구호를 실현시키는데 생물화학공학자의 미래 역할이 가장 중요하다.


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